제임스 웹 우주 망원경

제임스 웹 우주 망원경(JWST)의 발사로 우주와 그 기원에 대한 인류의 이해는 기하급수적으로 증가할 것입니다.

원래 차세대 우주 망원경(NGST)이라고 불렸고 2002년 9월 전 NASA 관리자 제임스 웹을 기리기 위해 이름이 변경된 JWST는 NASA, 캐나다 우주국(CSA), 유럽 우주국(ESA), 항공우주 제조업체인 Northrop Grumman과 망원경이 발사된 후 운영할 우주 망원경 우주 연구소(Space Telescope Space Institute)가 있습니다.

적외선 기술

JWST가 역사를 만든 허블 우주 망원경과 같이 이전에 등장한 우주 기반 망원경과 다른 점은 무엇입니까? 우선 1990년에 발사된 허블은 광학 망원경입니다. JWST는 적외선 망원경입니다. 광파는 끊임없이 팽창하는 우주를 여행하면서 "늘어납니다". 즉, 더 길고 붉은 에너지 파장으로 이동합니다. 어떤 시점에서 우주에서 가장 멀리 떨어진 별에서 한 번 볼 수 있었던 빛은 허블과 같은 광학 망원경으로 더 이상 감지할 수 없는 적외선 파장으로 이동합니다. JWST는 적외선 광파의 이미지를 캡처하고 최첨단 분광기를 사용하여 분석하도록 특별히 설계되었습니다.

JWST는 과학자들이 우주를 탐사하기 위해 적외선 기술을 사용한 것은 처음이 아닙니다. 1983년 NASA는 획기적인 적외선 천문 위성(IRAS)을 궤도에 올려 세계 최초의 우주 기반 적외선 망원경으로 만들었습니다. 미국, 네덜란드, 영국이 공동으로 설계한 이 프로젝트는 지구 상공 559마일을 공전하며 10개월 동안 12, 25, 60, 100마이크로미터 파장에서 250,000개 이상의 적외선 소스를 관찰한 임무를 수행했습니다. 그 임무의 성공은 1985년 우주 왕복선 챌린저호(STS-51)에 헬륨 냉각 적외선 망원경을 설치하게 했고 결국 2003년에 발사된 스피처 우주 망원경의 개발로 이어졌습니다.

이러한 이정표 사이에 유럽 우주국은 NASA 및 일본의 우주 및 우주 과학 연구소(ISAS)와 협력하여 1995년 11월 약 30,000개의 적외선 소스를 관찰하도록 설계된 3년 간의 임무를 수행하는 적외선 우주 천문대(ISO)를 시작했습니다. 2.5~240마이크로미터 범위에서 이미징을 수행하고 2.5~196.8마이크로미터 범위에서 분광학을 수행하고 실시간으로 데이터를 다시 지구로 전송합니다. 그리고 1997년 NASA는 Servicing Mission 2(STS-82)에서 허블 광학 망원경에 근적외선 카메라 및 다중 물체 분광계(NICMOS)를 장착하여 적외선 기능을 제공했습니다.

Ball Aerospace &Technologies Corp.에서 설계 및 제작한 결합된 이미징 장치 및 분광계인 NICMOS는 사파이어 기판에 결합되고 0.8~2.5마이크로미터 파장에서 작동하도록 설계된 3개의 수은 카드뮴 텔루라이드 근적외선 검출기를 특징으로 합니다. NICMOS는 1997년부터 1999년까지 냉각수가 고갈되기 전, 그리고 2002년부터 2008년까지 Servicing Mission 3B(STS-109) 동안 새로운 극저온 냉각 시스템을 설치한 후 작동했지만 결국 2009년에 Wide Field로 교체되었습니다. 서비스 임무 4(STS-125) 중 카메라 3(WFC3). 엄밀히 말하면 적외선 기기는 아니지만(200~1000nm 파장 범위의 이미지를 기록할 수 있는 UV 및 광학 채널도 있음) WFC3에는 800~1700nm 파장 범위의 이미지를 캡처하도록 설계된 근적외선 감지기가 있습니다. NICMOS(1700nm 대 2500nm)에 비해 적외선 기능이 제한되어 있지만 WFC3는 열전 냉각이 가능하므로 극저온 냉각이 필요하지 않습니다.

거울

틀림없이 우주로 발사된 가장 기술적으로 발전된 과학 기기인 JWST는 허블과 스피처 우주 망원경의 가장 좋은 점을 결합할 뿐만 아니라 기본 거울의 크기부터 시작하여 그것들을 훨씬 능가할 것입니다. Webb의 거울은 직경이 6.5m로 Hubble의 2.4m 거울과 Spitzer의 소형 0.8m 거울과 비교됩니다.

크기가 너무 커서 현재의 발사체 안에 들어갈 수 없기 때문에 궤도에 오르면 펼쳐지고 자동으로 모양이 조정되는 경량 베릴륨으로 만들어진 18개의 개별 육각형 세그먼트로 구성됩니다. 각 세그먼트는 두께가 1000옹스트롬(100나노미터)에 불과한 얇은 금층으로 코팅된 진공 증착입니다. 실온에서 금의 밀도(19.3gm/cm ³ ), 25m ² 의 표면적을 코팅하기 위해 48.25g의 금(골프 공과 거의 같은 질량)으로 계산됩니다. ² . 왜 금? 우수한 반사율. 금은 수집된 적외선의 98%를 반사하는 반면 알루미늄과 같은 재료는 일반적으로 가시광선의 약 85%만 반사합니다.

JWST는 지구 위 150만 킬로미터에 있는 L2 지점을 도도록 설계되었습니다. 망원경이 지구 대기에서 멀어질수록 수집되는 데이터의 품질에 부정적인 영향을 미치는 요소가 줄어듭니다. 또한 고에너지 우주선이 신호를 방해하거나 망원경의 민감한 기기를 손상시킬 수 있는 전하를 생성할 수 있는 지구의 보호 자기장에서 충분히 멀리 떨어져 있습니다. 추가 보험으로 JWST는 전압이 축적되어 우주선의 선실드 및 하위 시스템이 손상되는 것을 방지하기 위해 특수 차폐 및 전도성 재료로 설계되었습니다. 망원경은 198일마다 L2 주위를 한 바퀴 도는 완전한 궤도를 만들 것입니다... 당신이 그것을 보고 싶다면.

선실드

대략 테니스 코트 크기(21.197m × 14.162m)인 망원경의 선실드는 JWST의 단연 가장 큰 요소입니다. 실리콘으로 코팅된 Du-Pont™ Kapton®의 5개 층으로 구성되어 있으며 각 층은 두께가 1mm 미만입니다. 이 차광판의 주요 목적은 장비가 있는 망원경의 차가운 면과 태양을 마주하는 면을 분리하는 것입니다. 레이어 1이 견딜 수 있는 최대 온도는 383K(~231°F)이고 레이어 5는 최대 온도 221K(~ -80°F)와 최소 온도 36K(~ -394°F)를 견딜 수 있습니다. 적외선 감지기는 시원한 온도를 선호하고 JWST의 온보드 시스템에서 생성된 열은 수집되는 적외선 신호를 오염시킬 수 있으므로 망원경의 기본 작동 온도는 50K(~ -370°F) 미만입니다.

선실드의 크기와 재질이 얼마나 얇은지를 감안할 때 설계자가 직면한 엔지니어링 과제 중 하나는 우주 여행의 혹독한 환경을 견딜 수 있을 만큼 튼튼하게 만드는 것이었습니다. 그들은 부서지지 않고 필요한 구조적 안정성을 제공할 독창적인 지지 리브 시스템을 만들어 이를 달성했습니다. 시스템은 또한 실패 없이 우주 파편으로 인한 작은 찢어짐과 찢어짐을 견딜 것입니다.

기술 측면에서 JWST는 ISIM(통합 과학 기기 모듈), 광학 망원경 요소 및 우주선 요소의 세 부분으로 나눌 수 있습니다.

과학 기기

ISIM에는 JWST의 4가지 주요 과학 기기인 근적외선 카메라(NIRCam), 근적외선 분광기(NIRSpec), 중적외선 기기(MIRI), 미세 유도 센서/근적외선 이미저 및 슬릿 분광기가 포함되어 있습니다. (FGS/니리스).

애리조나 대학과 록히드 마틴이 만든 근적외선 카메라는 두 가지 중요한 기능을 수행합니다. 첫 번째는 10,000초 노출(약 2.8시간)을 사용하여 600nm에서 5000nm 파장 범위의 이미지를 캡처하는 것입니다. 37K(~ -393°F)에서 작동하도록 설계된 이 장치는 빅뱅 이후 우주에서 처음으로 형성된 일부 별과 은하에서 생성된 빛을 관찰하고 기록합니다. 다른 중요한 기능은 Primary Mirror의 18개 부분의 성능을 지속적으로 모니터링하여 망원경이 초점을 유지하도록 하는 것입니다.

ESA(European Space Agency)에서 제공한 근적외선 분광기(Near-Infrared Spectrograph)는 600nm ~ 5000nm 파장 범위에서 3 arcminute × 3 arcminute 시야에서 최대 100개의 물체를 동시에 분석할 수 있다는 점에서 독특합니다. 각각이 100 × 200 미크론으로 측정되는 대략 250,000개의 마이크로 셔터를 포함하는 프로그래밍 가능한 슬릿 마스크의 4개 어레이의 혁신적인 시스템 덕분에 이를 수행할 수 있습니다. NIRSpec에는 MOS(Multi-Object Spectroscopy), IFU(Integral Field Unit) 모드, SLIT(고대비 슬릿 분광기) 및 IMA(이미징 모드)의 4가지 작동 모드가 있습니다. 근적외선 카메라와 마찬가지로 우주의 기원에서 수집된 빛을 분석하는 데 사용됩니다.

중적외선 기기는 카메라와 분광기 모두로 작동하도록 설계되었으며 근적외선 기기가 중단되는 부분을 감지하여 5000nm ~ 28000nm 파장 범위의 빛을 캡처 및 분석합니다. 이 영역에서 성능의 핵심은 1024 × 1024 픽셀의 해상도를 갖는 FPM(초점면 모듈)이라고도 하는 비소 도핑된 실리콘 검출기입니다. 7K(~ -447°F)까지 극저온으로 냉각되는 MIRI에는 5000nm ~ 12000nm 파장 범위의 빛을 분석할 수 있는 게르마늄 금속 및 황화아연 프리즘이 장착된 저해상도 분광계도 포함되어 있습니다. 또한 코로나그래프가 장착되어 있어 외계행성을 연구할 수 있습니다.

마지막으로, 캐나다 우주국(Canadian Space Agency)에서 제작한 정밀 유도 센서/근적외선 이미저 및 슬릿리스 분광기(Slitless Spectrograph)는 800nm ​​~ 5000nm 파장 범위의 빛을 관찰하도록 설계되었으며 두 가지 기능을 수행합니다. Fine Guidance Sensor는 JWST의 방향 감각을 제공하여 지정된 목표물을 조준합니다. 2048 × 2048 픽셀 수은 카드뮴 어레이가 장착되어 있고 시야가 2.2피트 × 2.2피트인 근적외선 이미저 및 슬릿리스 분광기(Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph)는 외행성을 감지하고 분석하도록 설계되었습니다.

OTE(Optical Telescope Element)는 이름에서 알 수 있듯이 JWST의 눈입니다. NASA에 따르면 6.5미터의 주경을 구성하는 18개의 육각형 부분으로 구성되어 있습니다. 0.74미터 원형 보조 거울; 3차 및 미세 조향 미러; 1차 미러의 백플레인 어셈블리 및 기기 모듈도 포함하는 메인 백플레인 지지 고정구, 열 관리 하위 시스템; 후방 배치형 ISIM 라디에이터(ADIR); 우주선의 파면 감지 및 제어 시스템.

하위 시스템

퍼즐의 마지막 조각은 선실드와 우주선 버스로 구성된 우주선 요소입니다. 망원경의 전체 6500kg 질량을 지원하는 것 외에도 흑연 복합 재료로 만들어진 우주선 버스에는 JWST의 6가지 주요 하위 시스템, 즉 전력 하위 시스템, 자세 제어 하위 시스템, 통신 하위 시스템, 명령 및 데이터 처리 하위 시스템, 추진 하위 시스템 및 열 제어 하위 시스템.

전력 하위 시스템의 주요 기능은 태양광 패널에서 수집한 에너지를 다른 하위 시스템에서 필요한 전력으로 변환하는 것입니다. 자세 제어 하위 시스템은 궤도에서 망원경의 방향과 안정성을 관리합니다. 통신 하위 시스템은 NASA의 Deep Space Communication Network를 통해 데이터 및 명령 신호 전송을 처리합니다. 명령 및 데이터 처리 하위 시스템에는 JWST의 주 컴퓨터와 명령 원격 측정 프로세서(CTP), 그리고 솔리드 스테이트 레코더(SSR) 데이터 저장 장치가 포함되어 있습니다. 추진 하위 시스템은 망원경을 조준하고 적절한 궤도에 유지하는 데 필요한 로켓과 연료 탱크로 구성됩니다. 그리고 열 제어 하위 시스템은 4개의 전개식 라디에이터 차양 어셈블리를 제어하고 우주선에서 중요한 작동 온도를 유지하도록 설계되었습니다.

허블과 스피처 우주 망원경이 수집한 엄청난 양의 데이터와 품질을 고려할 때 JWST에서 배울 수 있는 내용에 대한 기대감과 설렘은 당연하게도 높습니다. 그것의 예상 임무 기간은 5-10년이며 그 시간 동안 과학자들은 우리 우주의 기원과 형성에 대해 더 많이 배울 뿐만 아니라 블랙홀, 초신성, 아기 은하, 먼 거리와 같은 다른 신비에 대한 귀중한 정보를 수집하기를 희망합니다. 생명체를 지탱할 수 있는 잠재력을 지닌 행성.

인기 있는 Star Trek TV 시리즈의 가상의 Starship Enterprise와 같이 무엇을 발견하든 JWST는 "아무도 가본 적이 없는" 과학적으로 갈 수 있는 매우 실제적인 능력을 제공할 것입니다.

이 기사는 SAE Media Group(뉴욕, NY)의 Photonics &Imaging Technology 편집자인 Bruce A. Bennett가 작성했습니다.

출처

• 이바노바, 넬리. 2012. 제임스 웹 스페이스
• 망원경 과학 가이드 . 볼티모어:우주
• 망원경 과학 연구소(STScl).
• https://jwst.nasa.gov/
• https://www.nasa.gov/